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Chapter 13 Engrenagens – Geral Lecture Slides © 2015 by McGraw-Hill Education. This is proprietary material solely for authorized instructor use. Not authorized for sale or distribution in any manner. This document may not be copied, scanned, duplicated, forwarded, distributed, or posted on a website, in whole or part. Tipos e Características Gerais das Engrenagens Shigley’s Mechanical Engineering Design Engrenagens cilíndricas de dentes retos Engrenagens Helicoidais Engrenagens Cônicas Engrenagens Sem-fimFigs. 13–1 to 13–4 Shigley’s Mechanical Engineering Design Generalidades acerca das Engrenagens Tipos de transmissões mais frequentes • Razão de velocidade angular constante; • Trabalham com baixa e alta rotação • Eixos paralelos, reversos ou concorrentes; • Não apresentam escorregamento, boa precisão na transmissão do movimento; • Grande resistência à sobrecargas; • Podem ser confeccionadas de aço, alumínio, cerâmica, polímeros termoplásticos, etc. • Podem apresentar tamanhos variados indo de m a nm • Boa confiabilidade e durabilidade (pequena manutenção); • Custo mais elevado; • Problemas de ruído; • Não absorvem choque; • Rendimentos na faixa de até 99% (exceto em sistemas parafuso-coroa sem fim). • Podem ter o seu desempenho afetado por umidade e poeira; Processo de Fabricação das Engrenagens Shigley’s Mechanical Engineering Design Dentre os principais tipos de fabricação utilizados para o fabrico de engrenagens, destaca-se a saber: • Aplainamento; • Fresamento • Fundição; • Sinterização; • Laminação; • Extrusão; • Forjamento; • Brochamento (engrenagens internas); • Eletro-erosão e eletro-deposição; • Retificação; Processo de Fabricação das Engrenagens Shigley’s Mechanical Engineering Design Shigley’s Mechanical Engineering Design Processo de Fabricação das Engrenagens Processo de Fabricação das Engrenagens Shigley’s Mechanical Engineering Design Processo de Fabricação das Engrenagens Shigley’s Mechanical Engineering Design Processo de Fabricação das Engrenagens Shigley’s Mechanical Engineering Design Processo de Fabricação das Engrenagens Shigley’s Mechanical Engineering Design Os principais processos de fabricação de engrenagens metálicas: Usinagem Sinterização Fundição Conformação Requerem acabamento superficial posterio Engrenagens poliméricas Fabricação por injeção Baixo peso Baixo custo de produção em série Menor capacidade de carga Aplicações em eletrodomésticos, brinquedos, etc. Aplicações de uso de Engrenagens Shigley’s Mechanical Engineering Design Algumas aplicações usuais, são apresentadas logo abaixo: Shigley’s Mechanical Engineering Design Aplicações de uso de Engrenagens Aplicações não convencionais, de engrenagens: Classificação das Engrenagens Shigley’s Mechanical Engineering Design As engrenagens, podem ser classificadas por vários critérios quanto ao tipo de aplicação em máquinas e mecanismos, todavia uma classificação bem usual é quanto a disposição dos seus eixos, quanto a forma do dente e quanto a posição relativa dos centros instantâneos de rotação. a) Quanto a disposição dos eixos, estas podem ser classificadas como: I. Engrenagens cilíndricas quando os eixos de rotação são paralelos; II. Engrenagens cônicas quando os eixos de rotação são concorrentes; III. Engrenagens com eixos reversos. I II III Classificação das Engrenagens Shigley’s Mechanical Engineering Design b) Classificação quanto a forma do dente: I. Engrenagens com dentes retos; II. Engrenagens com dentes helicoidais; III. Engrenagens Espirais. I III II Classificação das Engrenagens Shigley’s Mechanical Engineering Design c) Quanto a posição relativa dos centros instantâneos de rotação, podem ser classificadas como: I. Engrenagens exteriores; II. Engrenagens interiores. As engrenagens interiores, em geral, apresentam distância entre os eixos menor que nas engrenagens exteriores. Estas, as interiores, são normalmente utilizadas na forma planetária quando tem-se por objetivo um redução de espaço ou pretende-se a proteção dos dentes. I II Engrenagens Cilíndricas de Dentes Retos Shigley’s Mechanical Engineering Design De acordo com a classificação supracitada, pode-se combinar especialmente as duas primeiras formas de classificação. Esta resultará que as engrenagens cilíndricas podem ter dentes retos, dentes helicoidais ou dentes em espinha, também denominados dupla hélice. Agora vamos abordar as engrenagens com dentes retos. É a mais comum quando se pretende transmitir movimento entre eixos paralelos. O projeto, a fabricação, a montagem e manutenção deste tipo de engrenagem é relativamente a mais simples de todas. Admitem grandes relações de transmissão da ordem de (8:1) Apresentam elevado rendimento, da ordem de 99% São bastante ruidosas quando operam em velocidades elevadas. Podem transmitir potências da ordem de 15 MW com velocidades tangenciais entre 150 m/s a 200 m/s Engrenagens Cilíndricas de Dentes Helicoidais Shigley’s Mechanical Engineering Design As engrenagens cilíndricas de dentes helicoidais apresentam um funcionamento mais suave e bem menos ruidoso se comparado com as de dentes retos, uma vez que o engrenamento acontece de forma mais suave e progressivo. Os parâmetros de funcionamento e desempenho são idênticos aos de engrenagens de dentes retos, entretanto as engrenagens helicoidais apresentam cargas axiais, o que não acontece com as de dentes retos.; Apresentam engrenamento suave com redução do ruído gerado; Apresentam elevado rendimento, da ordem de 955 a 99%; Permitem dimensionamento com módulo menor; Geram momentos fletores sobre os eixos e consequetemente nos mancais; Apresentam custo de fabricação mais elevado que as de dentes retos e Engrenagens Cônicas Shigley’s Mechanical Engineering Design (a) (b) (c) (d) Forma cônica Dentes retos, espirais ou hipoides Normalmente as engrenagens cônicas são utilizadas quando há a necessidade de se cruzar os eixos dos órgãos motor e movido; Relações de transmissão de até 6:1; Desempenho semelhante às cilíndricas; Engrenagens Cônicas Shigley’s Mechanical Engineering Design Engrenagens cônicas espiral e hipoides: maior capacidade de carga maior relação de transmissão menor geração de ruído rendimento menor (60 a 95 %) Engrenagens cônicas: maior custo de fabricação e montagem; As hipoides permitem soluções mais compactas Pinhão coroa sem-fim Shigley’s Mechanical Engineering Design Relações de transmissão até 100:1 Elevado escorregamento: rendimento baixo (40 a 70 %) Sem-fim de uma, duas ou três entradas; É recomendável materiais diferentes peça do par Nomenclatura para Engrenagens Dentes Retos Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–5 Nomenclatura para Engrenagens Dentes Retos Shigley’s Mechanical Engineering Design Círculo primitivo Diâmetro primitivo Pinhão Coroa Passo Circular p Largura entre dentes Largura de espaçamento Módulo m Passo Diametral P Adendo a Dedendo b Altura completa ht (ht = a + b) Círculo de folga Folga Recuo Nomenclatura Shigley’s Mechanical Engineering Design Tamanho de Dentes – Uso Geral Shigley’s Mechanical Engineering Design Table 13–2 Sistemas de padronização de Dentes (Dentes Retos) Shigley’s Mechanical Engineering Design Table 13–1 Ação Conjugada Os dois corpos têm mesma velocidade em P P está entre os eixos de A e B P está sobre a reta normal comum no ponto de contato Círculos primitivos Ação conjugada: P fixo Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–6 Shigley’s Mechanical Engineering Design Ação Conjugada Perfil de dente de engrenagem com ação conjugada Perfil de involuta Involuta: trajetória da extremidade do fio desenrolado de um carretel Círculo de base (carretel) Propriedades da Involuta Shigley’s Mechanical EngineeringDesignFig. 13–7 Perfil da Involuta Construção da involuta Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–8 Circulos de um arranjo de engrenagens. Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–9 Relation of Base Circle to Pressure Angle Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–10 Ângulos de pressão padronizados : 14 ½º, 20º e 25º Linha de ação do Engrenamento Início do contato: a Término do contato: b linha de ação: ab Ângulo de aproximação Ângulo de afastamento O ângulo de ação Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–12 Cremalheira “Coroa” de diâmetro infinito O perfil dente é reto Inclinação do dente igual ângulo de pressão passo base e passo circular Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–13 Variação de distância entre centros Preserva os círculos de base Varia o ângulo de pressão Preserva os círculos primitivos Varia o comprimento da linha de ação Preserva a ação conjugada Preserva a relação de transmissão Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–15 Razão de Contato Arco de aproximação qa Arco de afastamento qr Arco de ação qt = qa + qr Razão de contato: Normalmente a razão de contato é mc =1,2 Shigley’s Mechanical Engineering Design Razão de contato A razão de contato indica o número médio de dentes em contato Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–15 Interferência Início e término de contato fora do segmento de ação CD Interferência abaixo do círculo de base O topo do dente escava o flanco do dente par Processo de geração elimina a interferência Processo de geração afina o dente Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–16 Interferência de Engrenagens Dentes Retos Número mínimo de dentes do pinhão (NG >NP) mG = NG/NP = m k =1 dente de altura completa (ht) k = 0,8 dente de altura menor que ht Número máximo de dentes na coroa Shigley’s Mechanical Engineering Design Interferência de Engrenagens Dentes Retos Procedimento para evitar interferência: 1. Calcular Np mínimo 2. Calcular NG máximo para Np escolhido 3. Verificar se NG = m Np <= NG máximo 4. Se 3 não verificar, escolha Np maior e repita 1,2 e 3 até verificar NG <= NG máximo Shigley’s Mechanical Engineering Design Interferência de Engrenagens Dentes Retos Cremalheira Número mínimo de dentes no pinhão Shigley’s Mechanical Engineering Design Interferência de Engrenagens Dentes Retos Shigley’s Mechanical Engineering Design Minimum NP Max NG Integer Max NG Max Gear Ratio mG= NG/NP 13 16.45 16 1.23 14 26.12 26 1.86 15 45.49 45 3 16 101.07 101 6.31 17 1309.86 1309 77 Ângulo de pressão 20º Valores calculados pelas Eqs. (13–11) and (13–12) Interferência de Engrenagens Dentes Retos Shigley’s Mechanical Engineering Design Minimum NP Max NG Integer Max NG Max Gear Ratio mG= NG/NP 9 13.33 13 1.44 10 32.39 32 3.2 11 249.23 249 22.64 Ângulo de pressão 25º Menor número de dentes Interferência de Engrenagens Dentes Retos A interferência pode ser eliminada com mais dentes no pinhão Acréscimo de dentes implica acréscimo de d, se P deve ser mantido Ângulo de pressão mais elevado pode eliminar interferência (implica em círculo de base menor) Ângulo de pressão alto eleva a força radial transmitida ao eixo Shigley’s Mechanical Engineering Design Geração com cremalheira Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–18 Fresamento de uma coroa sem-fim Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–19 Engrenagens Cônicas Transmissão entre eixos concorrentes Normalmente eixos a 90° Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–3 Engrenagens Cônicas Shigley’s Mechanical Engineering Design Fabricação: fresagem, fundição e geração Dentes retos, espirais ou hipoidais Engrenagens Cônicas Passo: medido na extremidade maior do dente Passo circular Passo primitivo Diâmetro primitivo Cone primitivo Ângulos primitivos Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–20 Engrenagens Cônicas Cone de fundo Raio do cone de fundo: rb Distância de cone: A0 Face: F Ângulo de pressão 20° aumenta a razão de contato evita adelgaçar o dente Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–20 Engrenagens Cônicas Involuta do cone: desenrolar papel colado sobre o cone e paralelo à geratriz (sorvete embalado) Shigley’s Mechanical Engineering Design Engrenagens Cônicas Círculo imaginário: perpendicular à superfície do cone de fundo no ponto de contato e centrado no vértice do cone de fundo Número de dentes da engrenagem imaginária Cone de fundo desenvolvido Engrenagens Helicoidais de Eixos paralelos Dentes se estendem ao longo de uma hélice sobre o cilindro Ângulos de hélice à direita e à esquerda Transmite forças axial e transversal Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–2 Engrenagens Helicoidais de Eixos paralelos Involuta do perfil de dente Desenrolar sobre o cilindro uma faixa com a extremidade cortada em ângulo igual ao da hélice Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–21 Engrenagens Helicoidais de Eixos paralelos O contato entre o par de dentes se dá ao longo de uma linha inclinada sobre a face do dente A razão de contato tem menor importância Hélice dupla (espinha de peixe): elimina efeito da força axial Mesclar ângulos de hélice ao montar engrenagens helicoidais num eixo Shigley’s Mechanical Engineering Design Engrenagens Helicoidais de Eixos paralelos Ângulo de hélice yt Ângulo de hélice Direito Esquerdo Shigley’s Mechanical Engineering Design Engrenagens Helicoidais de Eixos paralelos Passo axial px Passo transversal pt Passo normal pn Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–22 Engrenagens Helicoidais de Eixos paralelos Passo diametral transversal Pt Passo diametral normal Pn Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–22 Engrenagens Helicoidais de Eixos paralelos Ângulo de pressão transversal ft Ângulo de pressão normal fn Relação entre os ângulos Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–22 Parallel Helical Gears Raio aparente R R = r / cos y Número virtual de dentes N‘ (necessário para projeto e corte de engrenagem) Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–23 Example 13–2 Shigley’s Mechanical Engineering Design Example 13–2 Shigley’s Mechanical Engineering Design Interferência em engrenagens helicoidais Número mínimo de dentes no pinhão k =1 (altura de dente completa ht) k = 0.8 (altura de dente menor que ht) Relação de transmissão: mG = NG/NP = m Shigley’s Mechanical Engineering Design Interferência em engrenagens helicoidais Número máximo de dentes na coroa k =1 (altura de dente completa ht) k = 0.8 (altura de dente menor que ht) Relação de transmissão: mG = NG/NP = m Shigley’s Mechanical Engineering Design Interferência em engrenagens helicoidais Número máximo de dentes no pinhão de um par pinhão coroa sem- fim Exemplo (anotações pág. 13-12) Razão de contato de face Número médio de dentes em contato com a face do dente par Quanto maior a razão de contato, mais silencioso o par Shigley’s Mechanical Engineering Design Coroa parafuso sem-fim Ângulo de avanço l do parafuso Ângulo de hélice da coroa yG Eixos a 90o yG diferente de l Avanço do parafuso L Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–24 Coroa parafuso sem-fim Passo axial do parafuso px Passo transversal da coroa pt Eixos a 90o : px = pt Diâmetro primitivo da coroa dG Passo diametral da coroa PG PG=NG / dG Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–24 Coroa parafuso sem-fim Diâmetro primitivo do parafuso dw Diâmetro primitivo recomendado (rendimento ótimo do par) Relação entre o avanço do parafuso, o passo axial e o número de filetes doparafuso Relação entre o ângulo de avanço, o avanço e o diâmetro primitivo do parafuso Shigley’s Mechanical Engineering Design Sistemas de dentes padronizados para engrenagens de dentes retos Shigley’s Mechanical Engineering Design Table 13–1 AGMA: American Gear Manufacturers Association Tamanhos de dentes Shigley’s Mechanical Engineering Design Table 13–2 Parâmetros para engrenagens cônicas de dente reto 20º Shigley’s Mechanical Engineering DesignTable 13–3 Parâmetros de engrenagens helicoidais Shigley’s Mechanical Engineering Design Bn é a folga normal Shigley’s Mechanical Engineering Design Recommended Pressure Angles and Tooth Depths for Worm Gearing Table 13–5 Largura de face do parafuso sem-fim Largura de face FG do parafuso Igual ao comprimento da corda do círculo de adendo que tangencia o círculo primitivo do parafuso Define a espessura da coroa Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–25 Trens de engrenagens Sucessão de pares engrenados e eixos O movimento do par de entrada é transmitido ao seguinte e assim sucessivamente Relação de transmissão no par i: mi = Npi / NGi Valor de trem : e = m1 m2 … mn e = nL / nF nL é a rotação no eixo de saída nF é a rotação no eixo de entrada Shigley’s Mechanical Engineering Design Sentido de rotação em engrenagens helicoidais cruzadas Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–26 Trens de engrenagens Motora (P) e movida (G): | nG/nP | = NP/NG = dP/dG No par i: NPi / NGi Valor de trem : e = NP1/ NG1 NP2/ NG2 … NPn/ NGn e = nL / nF e < 0: reversão do sentido de rotação nL é a rotação no eixo de saída nF é a rotação no eixo de entrada Shigley’s Mechanical Engineering Design Trens de engrenagens: valor de trem Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–27 Trens de engrenagens Limite prático de valor de trem para cada par: 1:10 Para obter mais redução, monte 2 engrenagens no mesmo eixo Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–28 Trens de engrenagens Projeto de trens de engrenagens Relações de transmissão aproximadamente iguais em cada estágio e = mi n Faça a menor engrenagem do par com o menor número de dentes possível Determine o número de dentes da engrenagem maior de cada par Recalcule o valor de trem resultante e verifique se está dentro da tolerância Shigley’s Mechanical Engineering Design Exemplo 13–3 Shigley’s Mechanical Engineering Design Exemplo 13–4 Shigley’s Mechanical Engineering Design Exemplo 13–4 Shigley’s Mechanical Engineering Design Trens de engrenagens Trem de engrenagens composto reverso Eixos de entrada e saída em linha Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–29 Exemplo 13–5 Shigley’s Mechanical Engineering Design Exemplo 13–5 Shigley’s Mechanical Engineering Design Example 13–5 Shigley’s Mechanical Engineering Design Example 13–5 Shigley’s Mechanical Engineering Design Exemplo 13–5 Shigley’s Mechanical Engineering Design Trens de engrenagens planetárias Sistema com 2 gl Duas engrenagens a velocidades quaisquer A 3a. engrenagem gira a uma velocidade que depende das outras duas Sol (2) Braço (3) Planeta (4) Anel (5) Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–30 Trens de engrenagens planetárias e é o mesmo quer o braço gire ou não Valor de trem Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–31 Fig. 13–30 Exemplo 13–6 Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–30 Exemplo 13–6 Shigley’s Mechanical Engineering Design Exemplo 13–6 Shigley’s Mechanical Engineering Design Análises de Forças – Engrenagens Dentes Retos Shigley’s Mechanical Engineering Design Conversões de unidade úteis 1 pé = 0,3048 m 1 pol = 0,0254 m 1 rpm = 1/60 Hz 1 lb = 4,448 N 1 HP = 745 W Análises de Forças – Engrenagens Dentes Retos Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–32 Análises de Forças – Engrenagens Dentes Retos Carga Transmitida Wt Torque transmitido Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–33 Potência em engrenagem de dente reto Potência Transmitida H A velocidade linear (velocidade tangencial) V velocidade de um ponto do circulo primitivo comum as engrenagens do par V = p d n d é o diâmetro primitivo n é a frequência de rotação Shigley’s Mechanical Engineering Design Potência em engrenagem de dente reto Relações úteis: Sistema americano Wt em lbf H em HP V em pé/min SI Wt em kN H em kW V em rpm Shigley’s Mechanical Engineering Design Exemplo 13–7 Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–34 Exemplo 13–7 Shigley’s Mechanical Engineering Design Exemplo 13–7 Shigley’s Mechanical Engineering Design Análise de Forças – Engrenagens Cõnicas Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–35 Exemplo 13–8 Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–36a Exemplo 13–8 Shigley’s Mechanical Engineering Design Exemplo 13–8 Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–36b Exemplo 13–8 Shigley’s Mechanical Engineering Design Exemplo 13–8 Shigley’s Mechanical Engineering Design Exemplo 13–8 Shigley’s Mechanical Engineering Design Análise de Forças – Engrenagens Helicoidais Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–37 Exemplo 13–9 Shigley’s Mechanical Engineering Design Exemplo 13–9 Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–39 Análise de forças em coroa parafuso sem-fim Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–40 •Para ângulo de 90o entre eixos Análise de forças em coroa parafuso sem-fim Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–40 Análise de forças em coroa parafuso sem-fim Shigley’s Mechanical Engineering Design Escorregamento no ponto de contato O atrito é muito mais significativo que em outros tipos de engrenagem Incluindo o atrito, Eq. (13–41) tornam-se: Combinando as Eqs. (13–42) e (13–43): Análise de forças em coroa parafuso sem-fim Shigley’s Mechanical Engineering Design Eficiência da transmissão: Da equação acima (com f = 0 no numerador) e da Eq. (13–45): Eficiência da transmissão coroa parafuso sem-fim Shigley’s Mechanical Engineering Design Valores do rendimento para um valor típico de f = 0,05 e fn = 20º Table 13–6 Coeficiente de atrito entre coroa parafuso sem-fim Shigley’s Mechanical Engineering Design f depende da velocidade de escorregamento VS VG é a velocidade de um ponto no círculo primitivo da coroa VW é a velocidade no cilindro primitivo do parafuso Fig. 13–41 Coeficiente de atrito entre coroa parafuso sem-fim Gráfico de f x Vs Curva A corresponde a maior atrito entre as engrenagens (p.ex. par de ferro-fundido) Curva B corresponde a materiais de alta qualidade Shigley’s Mechanical Engineering DesignFig. 13–42 Exemplo 13–10 Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–43 Exemplo 13–10 Shigley’s Mechanical Engineering Design Fig. 13–44
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